铸造起重机主梁结构的疲劳寿命研究
摘要
起重机的安全寿命取决于其金属结构的疲劳强度。由于起重机钢结构中初始裂纹的存在而导致的结构早期失效用传统的起重机钢结构疲劳设计方法是无法预测的，因此这种按传统方法设计出的起重机就难免会存在一些事故隐患，我国大型钢铁企业在七十年代购买并使用至今的大批起重机都有此顾虑。
本文以马钢第三炼钢厂4#125t铸造起重机主梁下盖板大面积可见裂纹情况为例，考虑材料初始裂纹的影响，在断裂力学理论和破损—安全设计原则的基础上，采用损伤容限设计法来重新计算铸造起重机的设计寿命；并对正在服役的铸造起重机计算其剩余寿命，为铸造起重机的安全运行提供了较可靠的理论依据。
本文采用大型有限元软件ANSYS对该起重机主梁进行了建模、计算和分析。在建模过程中采用了子模型、误差估计等技术手段，得到了计算精度较高的有限元模型，为寿命计算提供了有力的保障。
结合有限元分析结果和损伤容限设计方法，本文计算了马钢第三炼钢厂4#125t铸造起重机主梁下盖板的临界裂纹尺寸，及初始裂纹为0.5mm时主梁的设计寿命，并估算了在裂纹尺寸达到150mm时主梁的剩余寿命。以此为据，针对主梁的实际情况，向厂方提出了对该台起重机立即抢修、限时停用的整改方案。
本文还应用APDL语言实现了计算流程的完全参数化，并用Visual Basic语言编写制作了“桥式起重机主梁结构的计算和评估”这一应用软件，极大地提高了起重机主梁建模及疲劳寿命评估的效率。
最后，本文提出了一些有待解决的问题，希望能引起有关部门的注意，以期在今后的研究工作中加以解决。
Safety life of crane was determined by its fatigue intensity of metal structure. The existence of original flaw leading to early destroying of structure could not be predicted by traditional fatigue designing method of steel structure of crane. So it was inevitable that the cranes that were designed according to this method had hidden dangers. Many great steel-making plants were worrying about the serving cranes that were bought in the 70's.
Considering the influence of material original flaw, the thesis gave the 4# 125t crane of NO. 3 steel-making plant of Maansan steel CO. for example to analyze the designing and remaining life of the crane's girder by using damnification limits design method. The method was based on the theory of rupture dynamics and the principle of disrepair-security. The thesis offered the theoretic basis for safety running of the crane.
This girder was analyzed by using ANSYS. The FEM model was accurate and
effective by using submodel and error estimation technique that ensured the reliability of calculation and analysis.
The thesis got the measure of critical flaw and designing life of the girder. In addition, the thesis calculated the remaining life of the girder while the flaw reaching 150mm. The project that the crane must be repaired immediately and stopped using in limiting time was offered to the plant.
The thesis complied parametric program by using APDL. The software to estimate the performances of the crane's girder being complied by VB language was offered which would improve the efficiency of building FEM and analyzing remaining life of crane.
At end of this paper, some questions were presented. The author wished to cause the relevant division's attention, and be solved in the future.
本文以马钢第三炼钢厂4#125t铸造起重机主梁下盖板大面积可见裂纹情况为例，考虑材料初始裂纹的影响，在断裂力学理论和破损—安全设计原则的基础上，采用损伤容限设计法来重新计算铸造起重机的设计寿命；并对正在服役的铸造起重机计算其剩余寿命，为铸造起重机的安全运行提供了较可靠的理论依据。
本文采用大型有限元软件ANSYS对该起重机主梁进行了建模、计算和分析。在建模过程中采用了子模型、误差估计等技术手段，得到了计算精度较高的有限元模型，为寿命计算提供了有力的保障。
结合有限元分析结果和损伤容限设计方法，本文计算了马钢第三炼钢厂4#125t铸造起重机主梁下盖板的临界裂纹尺寸，及初始裂纹为0.5mm时主梁的设计寿命，并估算了在裂纹尺寸达到150mm时主梁的剩余寿命。以此为据，针对主梁的实际情况，向厂方提出了对该台起重机立即抢修、限时停用的整改方案。
本文还应用APDL语言实现了计算流程的完全参数化，并用Visual Basic语言编写制作了“桥式起重机主梁结构的计算和评估”这一应用软件，极大地提高了起重机主梁建模及疲劳寿命评估的效率。
最后，本文提出了一些有待解决的问题，希望能引起有关部门的注意，以期在今后的研究工作中加以解决。
Safety life of crane was determined by its fatigue intensity of metal structure. The existence of original flaw leading to early destroying of structure could not be predicted by traditional fatigue designing method of steel structure of crane. So it was inevitable that the cranes that were designed according to this method had hidden dangers. Many great steel-making plants were worrying about the serving cranes that were bought in the 70's.
Considering the influence of material original flaw, the thesis gave the 4# 125t crane of NO. 3 steel-making plant of Maansan steel CO. for example to analyze the designing and remaining life of the crane's girder by using damnification limits design method. The method was based on the theory of rupture dynamics and the principle of disrepair-security. The thesis offered the theoretic basis for safety running of the crane.
This girder was analyzed by using ANSYS. The FEM model was accurate and
effective by using submodel and error estimation technique that ensured the reliability of calculation and analysis.
The thesis got the measure of critical flaw and designing life of the girder. In addition, the thesis calculated the remaining life of the girder while the flaw reaching 150mm. The project that the crane must be repaired immediately and stopped using in limiting time was offered to the plant.
The thesis complied parametric program by using APDL. The software to estimate the performances of the crane's girder being complied by VB language was offered which would improve the efficiency of building FEM and analyzing remaining life of crane.
At end of this paper, some questions were presented. The author wished to cause the relevant division's attention, and be solved in the future.
引文
[1] 大连起重机厂编．起重机设计手册．1979，辽宁人民出版社
[2] 称传荛，高大兴．疲劳断裂基础．1989，华中理工大学出版社
[3] 林正辉编译．材料力学(上、下)．全华科技图书股份有限公司
[4] 丁遂栋，孙利民．断裂力学．1997，机械工程出版社
[5] 须雷．起重机的现代设计方法．起重运输机械，1996，No．8
[6] 何庆芝，俪正能．工程断裂力学．1993，北京航空航天大学出版社
[7] 龙靖宇．弹性力学基础及有限单元法．1993，武汉钢铁学院出版社
[8] 王国强．实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践．2001，西北工业大学出版社
[9] 过玉卿．起重运输机械．1992，华中理工大学出版社
[10] ANSYS高级分析技术指南．1998，Swanson Analysis system.Inc
[11] 王仁智．断裂力学在疲劳裂纹扩张研究中的作用．机械强度增刊1，1976
[12] 一机部起重所译．带有焊接盘板和附件的钢梁疲劳强度．[美国]国家联合公路研究大纲报告147，1974
[13] 赵永翔，张质文．起重机金属结构的开裂失效．起重运输机械，1995，No．7
[14] 潘长松．桥式起重机箱形主梁的疲劳性能．起重运输机械，1984，No．1
[15] 何庆生，杨国静．桥式起重机钢结构可靠性分析．起重运输机械，1992，No．4
[16] 龙靖宇．桥式类型起重机的随机疲劳强度及载荷谱编制(硕士毕业论文)
[17] 张国瑞．有限元法．1992，机械工业出版社
[18] 赵少忭，王忠保．疲劳设计．1992，北京：机械工业出版社
[19] ANSYS入门手册(上、下)．1998，Swanson Analysis system.Inc
[20] ANSYS Command Reference. 1998, Swanson Analysis system.Inc
[21] 徐影．结构疲劳强度研究的现状及进展．机械强度，1980，No．1
[22] ANSYS Elements Reference. 1998, Swanson Analysis system. Inc
[23] ANSYS Theory Reference. 1998, Swanson Analysis system. Inc
[24] 程文明，王金诺．桥门式起重机疲劳裂纹扩展寿命的模拟估算．起重运输机械，2001，No．2
[25] 嘉木工作室．ANSYS5.7有限元实例分析教程．2002，机械工业出版社
[26] 陈精一等．电脑辅助工程分析ANSYS使用指南．1991，中国铁道出版社
[27] 徐灏．疲劳强度设计．1981，机械工程出版社
[28] 第一机械工业部哈尔滨焊接研究所．断裂力学在焊接结构中的应用(译文集)．1980，机械工业出版社
[29] 胡传炘．断裂力学及其工程应用．1989，北京工业大学出版社
[30] 刘长虹，刘渭析．桥式起重机主梁疲劳失效概率的预估．起重运输机械，1994，No．3
[31] 石井勇五郎．无损检测学．1988，北京：机械工业出版社
[32] Ishu Y and Lida K Low and Intermediate Cycle Fatigue Strength of Butt Welds Containing Weld Defects. Nondestructive Inspection, 1968, Vol.18, No.10
[33] H．卡德斯图塞．有限元法手册．1996，科学出版社
[34] 赵少忭，王忠保．抗疲劳设计——方法与数据．1997，机械工业出版社
[35] 胡贵方．16Mn焊接接头疲劳裂纹的扩展．机械强度，1990，No．4
[36] 翟甲昌．桥式起重机焊接梁疲劳强度可靠性设计分析．建筑机械，1992，No．10
[37] 余作生，颜怡霞等．ANSYS在焊接中的应用．ANSYS用户年会论文集，1998(上)
[38] 郭书祥．自适应有限元方法及其工程应用．力学进展，1997，No．11
[39] 李开泰等．有限元方法及其应用．1984，西安交通大学出版社
[40] 起重机设计规范编写组．起重机设计规范(GB3811-83)．1984，中国标准出版社
[41] 付荣伯，王维容．起重机箱形主梁焊接应力及其影响．起重运输机械，1986，No．2
[42] 赵少忭．抗疲劳设计．1994，北京：机械工业出版社
[43] 周志鳌，曲季浦．起重机钢结构的疲劳计算．起重运输机械，1992，No．2
[44] 周颖．Visual Basic 6.0实例精通．1999，清华大学出版社
[45] The Committee on Fatigue and Fracture Reliability of the Committee on Structure Safety and Reliability of the Structural Division. Fatigue Reliability:Introduction, Proceeding ASCE, Journal of the Structural Division, 1982, 108(ST1):1～23
[46] 陈道南，过玉卿等．起重运输机械．1988，冶金工业出版社
[47] 刘惟信．机械可靠设计．1996，清华大学出版社
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